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申请/专利权人：华中科技大学;武汉船舶通信研究所(中国船舶重工集团公司第七二二研究所)

摘要：本发明公开了一种多波长并行光量子随机数发生器。多波长光源的输出光经过干涉仪后，再经由解复用器将不同波长的光束导到不同的支路上，支路上的光电探测器将带有随机信息的光信号转化为电信号，再经由模数转换器将带有随机信息的电信号转化为随机数。本发明利用光传输带宽大和干涉仪结构频谱的周期性特点，实现了多路并行的随机数的产生，可以在不牺牲数据随机性的前提下，成倍地提高随机数的产生速率，实现了在提高采样速率的同时不影响数据随机特性的技术效果。

主权项：1.一种多波长并行光量子随机数发生器，其特征在于，包括：多波长光源、干涉仪、解复用器、光电探测器及模数转换器；所述多波长光源的光输出端与所述干涉仪的光输入端连接，所述干涉仪的光输出端与所述解复用器的光输入端连接，所述解复用器的光输出端与所述光电探测器的光输入端连接，所述光电探测器的电信号输出端与所述模数转换器的电信号输入端连接；利用光传输带宽大和干涉仪结构频谱的周期性特点，实现了多路并行的随机数的产生，在不牺牲数据随机性的前提下，成倍地提高随机数的产生速率；还包括：至少两个开关部件；所述各开关部件一一对应地分别设置在所述解复用器的各光输出端；在解复用之后每个波长通道增加一个光开关，通过对光开关的控制依次选择打开这一组波长通路中的任意一路进行接收，实现了将多个波长在时域上进行了分离，从而使得光电探测器和模数转换器在每一个时刻采集到单一波长的量子随机信息，简化了系统结构。

全文数据：一种多波长并行光量子随机数发生器技术领域本发明涉及随机数发生装置技术领域，尤其涉及一种多波长并行光量子随机数发生器。背景技术随着信息量井喷式增长，信息安全开始日益受到各行各业的重视。随机数在信息加密过程中具有不可替代的作用。而基于光源相位噪声的量子随机数发生器由于其内禀的量子随机特性，可以实现真随机数的产生，从而保证了信息传递的安全。另外，真随机数在人工智能的发展中也起着重要作用，特别是在深度学习的模型训练过程中，需要引入真随机数以确保训练后模型的最终准确性。由于光的相位是不能被光探测器直接探测的，因此基于光源相位噪声的量子随机数发生器通常需要借助于干涉仪结构将相位变化转变为振幅变化。然后由光电探测器将光信号转换为电信号，再经采样和模数转换后得到随机数。其中，干涉仪结构的作用是将具有相对延时差的两路或多路光束进行干涉，其中不同传输通路的延时差决定了提取相位噪声的时间窗口，它与光源的相干时间、光电探测器的响应时间以及采样时间间隔的相对大小关系，对产生随机数的随机性有着至关重要的影响。根据文献[Qi,B.,etal."High-speedquantumrandomnumbergenerationbymeasuringphasenoiseofasingle-modelaser."OpticsLetters35.32010:312-314.]表明，理想情况下应满足：Ts≥Δt≥τc≥Tr1其中，Ts为采样间隔，其倒数即为采样速率；Δt为干涉仪两臂的延时差；τc为光源的相干时间；Tr为光电探测器的响应时间。上式1表明理想情况下的采样速率是存在一个上限的。尽管可以通过提高采样速率来提高随机数的产生速率，但是实际上单方面提高采样速率会有两个方面的不利影响：一是当采样时间间隔小于干涉仪的延时差时，提高采样速率减小采样时间间隔实际上等效于减小干涉仪的延迟差，从而使得转换所得的幅度噪声的方差功率减小，产生数据的熵值将会下降；二是随着采样速率的增加，随机数样本的短程相关性增加，而在随机数评价中，相关系数越接近于零，则认为所产生随机数的随机性越好，因此，通常需要进行后处理减小这种相关性。发明内容本发明通过提供一种多波长并行光量子随机数发生器，解决了现有技术中单方面提高采样速率带来的随机数熵值下降和短程相关性增加的技术问题，实现了在提高采样速率的同时不影响数据随机特性的技术效果。本发明提供了一种多波长并行光量子随机数发生器，包括：多波长光源、干涉仪、解复用器、光电探测器及模数转换器；所述多波长光源的光输出端与所述干涉仪的光输入端连接，所述干涉仪的光输出端与所述解复用器的光输入端连接，所述解复用器的光输出端与所述光电探测器的光输入端连接，所述光电探测器的电信号输出端与所述模数转换器的电信号输入端连接。进一步地，所述多波长光源包括：宽谱光源和梳状滤波器；所述宽谱光源的光输出端与所述梳状滤波器的光输入端相连，所述梳状滤波器的光输出端与所述干涉仪的光输入端连接。进一步地，所述多波长光源为多个单波长激光器和光耦合器；所述各单波长激光器的输出光束射入所述光耦合器，所述光耦合器的光输出端与所述干涉仪的光输入端连接。进一步地，所述多波长光源为多波长同时激射的单个激光器；所述各激光器的输出光束与所述干涉仪的光输入端连接。进一步地，还包括：跨阻放大器；所述跨阻放大器的电信号输入端与所述光电探测器的电信号输出端连接，所述跨阻放大器的电信号输出端与所述模数转换器的电信号输入端连接。进一步地，还包括：低通滤波器；所述低通滤波器的电信号输入端与所述跨阻放大器的电信号输出端连接，所述低通滤波器的电信号输出端与所述模数转换器的电信号输入端连接。进一步地，所述光电探测器的数量至少为2；所述模数转换器的数量也至少为2；所述各光电探测器的光输入端一一对应地分别与所述解复用器的各光输出端连接，所述各光电探测器的电信号输出端一一对应地分别与所述各模数转换器的电信号输入端连接。进一步地，还包括：至少两个开关部件；所述各开关部件一一对应地分别设置在所述解复用器的各光输出端。进一步地，所述干涉仪是马赫-泽德干涉仪、法布里-珀罗干涉仪、迈克逊干涉仪或环形腔耦合干涉仪。本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：将多波长光源的输出光经过干涉仪后，再经由解复用器将不同波长的光束导到不同的支路上，支路上的光电探测器将带有随机信息的光信号转化为电信号，再经由模数转换器将带有随机信息的电信号转化为随机数。本发明利用光传输带宽大和干涉仪结构频谱的周期性特点，实现了多路并行的随机数的产生，可以在不牺牲数据随机性的前提下，成倍地提高随机数的产生速率，实现了在提高采样速率的同时不影响数据随机特性的技术效果。附图说明图1是法布里-珀罗干涉仪透射谱的仿真结果示意图；图2是马赫-泽德干涉仪透射谱的仿真结果示意图；图3是本发明提供的多波长并行光量子随机数发生器的结构示意图；图4是实施例I中的三波长并行量子随机数发生器的结构示意图；图5是实施例II中的结合开关部件的多波长并行分时隙接收量子随机数发生器的结构示意图。其中，PD是光电探测器，ADC是模数转换器，DFB是分布反馈激光器。具体实施方式本发明通过提供一种多波长并行光量子随机数发生器，解决了现有技术中单方面提高采样速率带来的随机数熵值下降和短程相关性增加的技术问题，实现了在提高采样速率的同时不影响数据随机特性的技术效果。本发明中的技术方案为解决上述问题，总体思路如下：多波长光源可以由多个不同工作波长的激光器构成，其输出光束包含多个等频率间隔的光谱分量对应于每个激光器的输出光，在经过干涉仪模块时，由于干涉仪结构频谱的周期性法布里-珀罗干涉仪和马赫-泽德干涉仪的透射谱分别如图1和图2所示，迈克尔逊干涉仪的透射谱与马赫-泽德干涉仪类似，不再重复给出，每个光谱分量中的相位噪声均转换为幅度噪声，再经由解复用器把不同的光谱分量分别导入不同的支路，在支路上由光电探测器将光信号转化为电信号，再由模数AD转换器经过采样和量化后产生随机数。如果多波长光源的波长数为n，则意味着随机数产生速率能得到n倍的提升。在图1中，腔长是50μm，两个腔镜反射率是0.70，空气折射率是1；在图2中，两臂光纤的物理长度差是0.5mm，光纤折射率是1.5；实线和虚线分别表示马赫-泽德干涉仪两个输出端口的透射谱，二者是互补的。为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。参见图3，本发明提供的多波长并行光量子随机数发生器，包括：多波长光源、干涉仪、解复用器、光电探测器及模数转换器；多波长光源的光输出端与干涉仪的光输入端连接，干涉仪的光输出端与解复用器的光输入端连接，解复用器的光输出端与光电探测器的光输入端连接，光电探测器的电信号输出端与模数转换器的电信号输入端连接。具体地，本发明提供了三种多波长光源的结构：第一种多波长光源包括：宽谱光源和梳状滤波器；宽谱光源的光输出端与梳状滤波器的光输入端相连，梳状滤波器的光输出端与干涉仪的光输入端连接。第二种多波长光源为多个单波长激光器和光耦合器；各单波长激光器的输出光束射入光耦合器，光耦合器的光输出端与干涉仪的光输入端连接。第三种多波长光源为多波长同时激射的单个激光器；各激光器的输出光束与干涉仪的光输入端连接。为了提高噪声功率，还包括：跨阻放大器；跨阻放大器的电信号输入端与光电探测器的电信号输出端连接，跨阻放大器的电信号输出端与模数转换器的电信号输入端连接。为了滤除带外噪声，还包括：低通滤波器；低通滤波器的电信号输入端与跨阻放大器的电信号输出端连接，低通滤波器的电信号输出端与模数转换器的电信号输入端连接。本发明还提供了两种光电探测器和模数转换器结构。参见图3，第一种结构为光电探测器的数量至少为2；模数转换器的数量也至少为2；各光电探测器的光输入端一一对应地分别与解复用器的各光输出端连接，各光电探测器的电信号输出端一一对应地分别与各模数转换器的电信号输入端连接，从而形成多路并行结构。第二种结构还包括：至少2个开关部件；各开关部件一一对应地分别设置在解复用器的各光输出端。在这种情况下，需要至少1个光电探测器和至少1个模数转换器，通过控制各开关部件的开闭选择解复用器的任意一路的输出光被光电探测器接收。在本发明中，干涉仪是马赫-泽德干涉仪、法布里-珀罗干涉仪、迈克逊干涉仪或环形腔耦合干涉仪或其他干涉仪，只要能有效地将光源的相位噪声转化为幅度噪声即可。解复用器可以为任何类型的分波器件，每个输出端的输出波长与多波长光源的输出波长一一对应，例如由棱镜结合透镜实现，或由衍射光栅结合透镜实现，或为干涉膜滤光型分波器件，或由多个熔锥光纤级联而成，或为波导阵列光栅ArrayedWaveguideGrating，AWG，或由环形器结合光栅来实现。开关部件是光开关。实施例I是三波长并行量子随机数发生器。其结构示意图如图4所示。实施例I中的多波长光源由三个工作波长不同的分布反馈DFB半导体激光器耦合输出构成，可以由分立器件或集成器件构成，三个激光器输出波长之间的间隔相同，每个激光器有各自的驱动电路以调节输入电流的大小、有各自的温度控制回路以抑制其工作波长的漂移。干涉仪采用马赫-泽德干涉仪，由耦合器11×2的定向耦合器，耦合器22×1的定向耦合器、延时量为τ的光延时器一段单模光纤或者自由空间光延时器和相移量φ0可调的相移器构成。来自光源的光束经过耦合器1等功率地分束到具有延时差的两条支路上，再到耦合器2合束干涉，此时光源的相位噪声就会被转化为幅度噪声。马赫-泽德干涉仪的透射谱如图2所示，其中若改变马赫-泽德干涉仪两臂的延时差则其自由光谱范围发生变化，因此，延时器的延时量应与光源的相干时间决定光谱宽度相匹配；若改变相移量φ0，则可以调节光源的输出光谱与马赫-泽德干涉仪透射谱的相对位置，即改变马赫-泽德干涉仪的偏置点位置。通过微调延时差和相移量，或者微调每个激光器的工作温度，可以使得三个激光器的输出波长均处于相同的偏置点位置。解复用器采用介质薄膜滤波器型的解复用器，其波长间隔和单通道带宽分别与多波长光源的波长间隔和谱宽匹配。解复用器之后三个波长的信号分别被一个PIN光电探测器接收，将光信号转化为电信号，在PIN光电探测器之后可增加跨阻放大器以提高噪声功率，和或增加低通滤波器以滤除带外噪声，但整个光探测系统含PIN光电探测器、跨阻放大器、低通滤波器的带宽应大于光源的谱宽以保证转换过程之后劣化噪声的自相关特性。光探测系统的输出再经由模数AD转换器将带有量子随机信息的电信号转化为随机数未经后处理的原始数据。该实施例I与单波长MZI方案相比，在不影响产生随机数的随机性的情况下，随机数产生速率可以提升为原来的三倍。实施例II是结合开关部件的多波长并行分时隙接收量子随机数发生器，其结构如图5所示。该实施例II中考虑到：如果PD的带宽足够大，ADC的采样速率足够快，则可以采用分时隙接收的方式，可多路信号共用一个光电转换和数据采集系统，即几个波长通道为一组甚至所有波长通路，共用一个PD和其后的ADC，PD在不同的时隙中对这一组波长通道进行分别接收。为了实现这种分时隙接收的方式，在解复用之后每个波长通道增加一个光开关，通过对光开关的控制依次选择打开这一组波长通路中的任意一路进行接收，如图5所示。实施例II实现了将多个波长在时域上进行了分离，从而使得PD和ADC在每一个时刻采集到单一波长的量子随机信息。本实施例II的优点：在实施例I的基础上进一步简化了系统结构。技术效果1、将多波长光源的输出光经过干涉仪后，再经由解复用器将不同波长的光束导到不同的支路上，支路上的光电探测器将带有随机信息的光信号转化为电信号，再经由模数转换器将带有随机信息的电信号转化为随机数。本发明利用光传输带宽大和干涉仪结构频谱的周期性特点，实现了多路并行的随机数的产生，可以在不牺牲数据随机性的前提下，成倍地提高随机数的产生速率，实现了在提高采样速率的同时不影响数据随机特性的技术效果。2、通过对跨阻放大器的使用，提高了噪声功率。3、通过对低通滤波器的使用，滤除了带外噪声。4、本发明中各个并行工作的随机源共用了一个干涉仪及其反馈控制回路，大大降低了制作成本和运行维护成本。5、本发明具有升级简单的优点，只要增加多波长光源的波长数、解复用器及之后光电探测器和模数转换器的支路数即可实现随机数产生速率的提升，无需对干涉仪及其工作点反馈控制回路进行额外的升级。6、本发明还具有很好的兼容性，其中干涉仪部分可以是任何具有周期性光谱的干涉仪；解复用器部分也可以是任何能实现分波长功能的器件，因而本发明可以根据实际需求选择相应的模块，由于各个模块的多样性使得本发明的实现方式也具有多样性。量子随机数发生器在数值计算、人工智能和信息安全等方面都具有非常重要的应用。基于干涉仪结构转化和提取光源的量子相位噪声是产生真随机数的重要方法之一，本发明利用光传输带宽大和干涉仪结构频谱的周期性特点，可以在不牺牲数据随机性的前提下，成倍地提高随机数的产生速率。因此，本发明将会是未来这个领域内具有竞争优势的一个技术方案。此外，本发明还具有升级简单、兼容性好、实用性强等优点。尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

权利要求：1.一种多波长并行光量子随机数发生器，其特征在于，包括：多波长光源、干涉仪、解复用器、光电探测器及模数转换器；所述多波长光源的光输出端与所述干涉仪的光输入端连接，所述干涉仪的光输出端与所述解复用器的光输入端连接，所述解复用器的光输出端与所述光电探测器的光输入端连接，所述光电探测器的电信号输出端与所述模数转换器的电信号输入端连接。2.如权利要求1所述的多波长并行光量子随机数发生器，其特征在于，所述多波长光源包括：宽谱光源和梳状滤波器；所述宽谱光源的光输出端与所述梳状滤波器的光输入端相连，所述梳状滤波器的光输出端与所述干涉仪的光输入端连接。3.如权利要求1所述的多波长并行光量子随机数发生器，其特征在于，所述多波长光源为多个单波长激光器和光耦合器；所述各单波长激光器的输出光束射入所述光耦合器，所述光耦合器的光输出端与所述干涉仪的光输入端连接。4.如权利要求1所述的多波长并行光量子随机数发生器，其特征在于，所述多波长光源为多波长同时激射的单个激光器；所述各激光器的输出光束与所述干涉仪的光输入端连接。5.如权利要求1所述的多波长并行光量子随机数发生器，其特征在于，还包括：跨阻放大器；所述跨阻放大器的电信号输入端与所述光电探测器的电信号输出端连接，所述跨阻放大器的电信号输出端与所述模数转换器的电信号输入端连接。6.如权利要求5所述的多波长并行光量子随机数发生器，其特征在于，还包括：低通滤波器；所述低通滤波器的电信号输入端与所述跨阻放大器的电信号输出端连接，所述低通滤波器的电信号输出端与所述模数转换器的电信号输入端连接。7.如权利要求1-6中任一项所述的多波长并行光量子随机数发生器，其特征在于，所述光电探测器的数量至少为2；所述模数转换器的数量也至少为2；所述各光电探测器的光输入端一一对应地分别与所述解复用器的各光输出端连接，所述各光电探测器的电信号输出端一一对应地分别与所述各模数转换器的电信号输入端连接。8.如权利要求1-6中任一项所述的多波长并行光量子随机数发生器，其特征在于，还包括：至少两个开关部件；所述各开关部件一一对应地分别设置在所述解复用器的各光输出端。9.如权利要求1-6中任一项所述的多波长并行光量子随机数发生器，其特征在于，所述干涉仪是马赫-泽德干涉仪、法布里-珀罗干涉仪、迈克逊干涉仪或环形腔耦合干涉仪。

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